上海理工大学庄松林院士团队在新型可稳定传播光学旋涡研究方面取得重要突破，他们通过提出偏振载体的概念，打破现有关于分数拓扑荷旋涡光束以及分数阶矢量旋涡光束不可传播的科学共识，实现分数拓扑荷光学旋涡在自由空间的稳定传播。该成果以Propagable optical vortices with natural noninteger orbital angular momentum in free space为题发表在《Advanced Photonics Research》上。上海理工大学庄松林院士团队高秀敏教授为通讯作者，深圳大学翁晓羽教授为第一作者，翁晓羽教授毕业于上海理工大学，指导教师是庄松林院士。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年项目、国家自然科学基金项目、国家基础研究发展计划等资助。
1992年，Allen教授团队首次发现拉盖尔高斯光束携带轨道角动量（OAM）。旋涡光束（又称为OAM光束）的出现打开了光学领域研究的潘多拉魔盒，基于光学旋涡的基础及应用研究得到迅猛的发展，并且极大地影响着我们的生产生活，比如高维量子通信、光镊、自旋轨道耦合、光学成像等等。旋涡光束是这一全新光学时代的基石。众所周知，整数拓扑荷旋涡光束是波动方程的解，因此，诸如拉盖尔-高斯光束、贝塞尔-高斯光束等旋涡光束可以在自由空间中稳定传播。然而，在自然界是否存在这样一种光束：它不仅携带非整数轨道角动量（OAM），而且其分数拓扑荷光学旋涡可以在自由空间传播中稳定保持。早在2004年，Berry就已经明确表示分数拓扑荷光学旋涡在自由空间无法稳定传播。甚至到2017年，这一关键科学问题的答案仍然是否定的。因此，上述光学旋涡所衍生的基础及应用研究工作大多是在整数拓扑荷旋涡光束的框架下展开的。2022年是光学旋涡三十周年，经过这三十年的发展，学界已经形成了一种科学共识：非整数拓扑荷光学旋涡无法在自由空间传播过程中保持稳定。
图1分数拓扑荷旋涡光束实验图及空间传输原理图
围绕是否存在分数拓扑荷旋涡光场稳定态这一基础性科学问题，庄松林院士团队高秀敏教授及其合作者突破现有偏振奇点和相位奇点相互独立的传统观念，开创性引入偏振维度，研究偏振奇点和相位奇点之间的相互作用，进一步地，提出偏振载体概念，打破现有关于分数拓扑荷及分数阶矢量旋涡光束不可传播的科学共识，证明了l+0.5拓扑荷光学旋涡与整数拓扑荷光学旋涡一样均为光学领域的稳定态，为波动方程的解。进一步地，采用本团队联合研发的偏振型空间光调制器，在实验上不仅实现了可传播分数拓扑荷旋涡光束的产生，而且结合光波模式提取原理，解决了任意光学旋涡并行产生的科学问题[Opt. Lett. 47，3319-3322(2022)]。值得强调的是，此项工作仅仅证明了分数与整数拓扑荷光学旋涡一样，均为物理的稳定态，我们依然无法理解分数拓扑荷光学旋涡稳定态存在的物理本质。为此，研究团队通过构建光学旋涡空间传播物理模型，进一步揭开了分数拓扑荷旋涡光束在自由空间中稳定传播的物理本质，包括：光波衍射极限、光学旋涡的自由空间演变以及相位的时间二元矢量特性[详见arXiv: 2208.01929, v1, submitted: Aug 2022.]。
轨道角动量概念诞辰30周年之际，前人科学家不断努力，深度挖掘光的复杂结构，发现光的复杂行为相关的自由度远不止空间、时间、幅度、波长（或频率）、相位和偏振（光子的自旋）等六个基本要素限制。事实上，光学轨道角动量可将光束推广到结构更为复杂的涡旋晶格或多奇点阵列等。这项工作站在巨人的肩膀上，巧妙建立轨道角动量和自旋角动量间联系，产生可传播的分数拓扑荷旋涡光束，并证明其传输不变性，不仅加深了我们对旋涡光束传播行为的理解，而且为相关学科领域注入新的活力。随着研究进一步深入，我们希望分数拓扑荷光学旋涡能像整数拓扑荷光学旋涡一样成长为科研的大树。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adpr.202200094